“宇宙飞船”专题复习教学设计，本文主要内容关键词为：宇宙飞船论文,教学设计论文,专题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[设计背景]
传统意义上的高三专题复习课，其教学内容通常只是针对某一重点或难点知识，集中分析某一类典型问题，力求学生掌握该类问题的分析思路和解题方法，真正达到通过一个专题让学生学会一种方法，解决一类问题的目的。而当前高考试题体现理论联系实际，贴近生活生产与现代科技，强调以知识立意为主转变为以实际问题立意为主的命题趋势，重视对学生综合运用所学知识分析解决实际问题能力的考查。因此，笔者认为，专题复习课还应包括以一个实际问题为主题展开一系列有关问题进行讨论，培养学生综合运用所学知识分析解决实际问题的能力。
[设计思想]
本课例在教学内容上以宇宙飞船为主题，根据飞船从发射升空到返回着陆整个过程中涉及到的高中力学知识，设计了一系列物理问题供学生讨论。在教学过程方面，课前组织学生利用多媒体了解有关飞船的基本情况，提供有关飞船的结构化材料，课堂中重点探讨有关飞船的一系列物理问题。课后再提供有关飞船的结构化练习，以实现学生对有关飞船的力学知识、方法的整合，实施“专题——整合”式复习课教学模式。
[教学目标]
通过组织学生主动参与围绕宇宙飞船的一系列物理问题的讨论，实现学生对有关飞船的力学知识、方法的整合。
[教学流程]
1.利用多媒体介绍宇宙飞船 以文字叙述、图片展示、视频播放等三种形式介绍我国神舟号载人飞船，使学生对载人飞船有一定的感性认识。
2.根据情境材料提出物理原理 引导学生提出宇宙飞船从发射升空到返回着陆整个过程中涉及到的主要物理知识：超重、失重、圆周运动、万有引力、动量守恒、机械能等，使学生对载人飞船产生初步的理性认识。
3.分阶段探讨有关飞船的物理问题 重点探讨发射阶段的超重问题、发射速度问题、利用地球自转节省发射能量问题，运行阶段的环绕问题、变轨问题、对接问题、定点问题、飞行姿态调整问题及着陆阶段的软着陆问题。
一、发射阶段
1.超重问题 （1）控制加速度；（2）宇航员采用平躺姿势。
材料1：宇宙飞船借助火箭在地面附近竖直发射升空，需要一个加速过程，在加速过程中，宇航员处于超重状态.人们把这种状态下宇航员的视重与静止在地球表面时的重力的比值称为耐受力值，用k表示，则k=____（设宇航员的质量为m，加速上升的加速度为a，地面附近重力加速度为g）。挑选宇航员时，要求他在超重状态时耐受力值范围为4≤k≤12，这表明飞船发射时的加速度控制范围为____.
（k=1+a/g，30m/s[2]≤a≤110m/s[2]）
思考：为了使宇航员适应这种超重状态，请设计训练宇航员的简易装置。（如图1所示装置，宇航员坐在一个在竖直平面内作匀速圆周运动的舱内，要使宇航员处于超重状态时受到的加速度。a=8g，已知R=20m，g取10m/s[2]，则转速ω为多少？答案为：2rad/s）
讨论：宇宙飞船竖直发射升空时，应采用什么样的身体姿势？（由于在发射升空过程中，人处于超重状态下，如竖直站立，头部血压降低，足部血压升高，使大量血液淤积在下肢静脉中，严重影响静脉血向心脏的回流，使心脏输出血量不足，造成头部供血不足，轻则引起视觉障碍，重则可能导致意识丧失，所以宇航员采用平躺姿势为好。）
2.发射速度问题 （1）分析牛顿人造卫星图；（2）理解第一宇宙速度。
材料2：已知地球半径R=6400km，地球表面重力加速度g=9.8m/s[2]，估算宇宙飞船在地面附近环绕地球作匀速圆周运动的运行速度约为km/s.（v=7.9km/s，该速度就是第一宇宙速度）
思考：怎么理解第一宇宙速度？（根据牛顿的人造卫星图分析得出，第一宇宙速度是保证飞船环绕地球运行的最小发射速度；根据飞船环绕地球运行必须满足地球提供的万有引力等于飞船所需的向心力，分析得出第一宇宙速度也是最大环绕速度。）
3.利用地球自转节省发射能量问题 （1）选择发射方向；（2）计算节省能量。
材料3：由于地球在自转，因而在发射飞船时，利用地球的自转，可以尽量减少发射飞船时火箭所需提供的能量，而且最理想的发射场地应该是地球的赤道附近。
思考：现假设某火箭的发射场地就在赤道上，为了尽量节省发射飞船时所需的能量：宇宙飞船最佳发射方向如何？（发射运行在赤道面上的飞船应该是由西向东转）
计算：如果某飞船的质量为m=6×10[3]kg，已知地球半径R=6400km，由于地球的自转使得飞船具有了一定的初动能，这一初动能即为利用地球的自转与地球没有自转相比较，发射飞船时所节省的能量，求节省能量的大小？（6.5×10[5]kJ）
二、运行阶段
4.环绕问题 （1）完全失重；（2）轨道比较。
材料4：在环绕地球作匀速圆周运动的宇宙飞船中，宇航员和所有实验仪器及装置都会处于完全失重状态。
讨论：（1）宇航员的受力情况如何？（宇航员仍受重力作用，重力提供向心力，宇航员受力不平衡。）
（2）下列实验仪器或装置能否在宇宙飞船中使用？（B、D、F能使用）
A.天平 B.弹簧秤 C.水银气压计 D.水银温度计 E.单摆 P.弹簧振子
比较：不同环绕轨道的运动参量（线速度、角速度、周期、机械能）。
5.变轨问题 （1）椭圆与大圆轨道相互转变；（2）椭圆与小圆轨道相互转变；（3）小圆与大圆轨道相互转变；（4）返回大气层时大气阻力作用下的轨道变化。
材料5：宇宙飞船运行轨道的改变是可以通过飞船自带的推进器来实现的，以“神舟五号”为例，当飞船变轨程序启动时，飞船的自带推进器向后喷气使飞船加速，飞船就从距地球表面近地点高度约200公里、远地点约350公里的椭圆轨道进入距地球表面约343公里的圆形轨道。
讨论：（1）如何实现椭圆与大圆轨道相互转变？（见图2，要从椭圆轨道2转变到大圆轨道3，只要飞船在到达远地点Q时，通过自带推进器向后喷气使飞船加速，当速度达到沿大圆做圆周运动所需的速度时，飞船就不再沿椭圆运行而沿大圆运行。同理，如飞船原来在大圆形轨道3运行，当推进器向前喷气使飞船减速时，飞船就可以从大圆形轨道3运动到椭圆轨道2。）
（2）如何实现椭圆与小圆轨道相互转变？（见图2，要从椭圆轨道2转变到小圆轨道1，只要飞船运行到近地点P时，通过自带推进器向前喷气使飞船减速，当速度达到沿小圆做圆周运动所需的速度时，飞船就不再沿椭圆运行而沿小圆运行。同理，如飞船原来在小圆形轨道1运行，当推进器向后喷气使飞船加速时，飞船就可以从小圆形轨道1运动到椭圆轨道2。）
（3）如何实现小圆与大圆轨道相互转变？（见图2，如要从小圆轨道1运行到大圆轨道3，首先，飞船的推进器使飞船加速运行到椭圆轨道2，再通过控制推进器使椭圆的远地点恰好在大圆上，当飞船到达远地点Q时再适当加速，这样飞船就可以在大圆轨道3上运行。）
（4）飞船如何实现返回大气层？（飞船一般都运行到椭圆轨道近地点时，一直减速到一定程度时，就可以在万有引力的作用下而坠入大气层。）
比较：
（1）飞船分别在轨道1、3上的线速度、角速度、加速度、周期
（2）飞船分别在轨道1、2上经P点时的加速度大小和速度大小
（3）飞船分别在轨道2、3上经Q点时的加速度大小和速度大小
（4）飞船在轨道2上分别经P、Q点时的加速度大小和速度大小
材料6：宇宙飞船返回大气层后继续绕地球运行过程中，由于高空稀薄空气阻力的影响，飞船在无动力条件下将很缓慢地逐渐向地球靠近。
讨论：（1）飞船为什么会向地球靠近？（2）飞船动能、重力势能、机械能分别怎样变化？
6.对接问题 宇宙飞船与空间站的对接。
材料7：空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何登到空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。
思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？（不行，因为飞船加速时它所需的向心力也增大，而在同一圆轨道运行的飞船所受的万有引力大小不变，所以，飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，便可实现对接，如图3所示。）
7.定点问题 地球同步宇宙飞船的定点。
材料8：地球同步宇宙飞船是指环绕地球运行时相对地面不动的宇宙飞船，也就是说同步飞船始终处于地面某点的正上方。这就是地球同步宇宙飞船的定点问题。
讨论：（1）飞船所在纬度、高度，如何确定？（轨道平面一定，在赤道平面；离地面高度一定。约为3.6×10[4]km）
（2）飞船所在经度如何调整？
我国的国土范围在东西方向上大致分布在东经70°到东经135°之间，所以我国发射的地球同步宇宙飞船一般定点在赤道上空3.6万公里，东经100°附近。假设某艘地球同步宇宙飞船计划定点在赤道上空东经104°的位置。经测量刚进入轨道时位于赤道上空3.6万公里，东经103°处。为了把它调整到104°处，可以短时间启动飞船上的小型喷气发动机调整飞船的高度，改变其周期，使其“漂移”到预定经度后，再短时间启动发动机调整飞船的高度，实现定点。应怎样调整两次高度？（依次是向下和向上）
8.飞行姿态调整问题 飞船飞行速度方向的调整。
材料9：宇宙飞船接受到返回指令后，一般通过喷气发动机喷气改变飞船飞行速度及方向，实现飞船飞行姿态的调整。如图4为一宇宙飞船的示意图，P[，1]、P[，2]、P[，3]、P[，4]是四个喷气发动机，P[，1]、P[，3]的连线与空间一固定坐标系的x轴平行，P[，2]、P[，4]的连线与y轴平行，每台发动机开动时，都能向探测器提供推力，但不会使探测器转动，开始时，飞船以恒定的速率v。向正x方向平动，要使飞船改为向正x偏负y轴60°的方向以原来的速率v[，0]平动。
讨论：应怎样启动发动机？（如先开动P[，3]适当时间，再开动P[，4]等）
三、着陆阶段
9.软着陆问题
材料10：以“神舟五号”飞船为例，飞船的返回舱质量约为2t，当返回舱落至离地10km时弹出降落伞。由于空气阻力的作用（若空气阻力与速度的平方成正比），舱做减速运动，经一段时间后，舱开始匀速缓缓下降，在离地尚有1.2m高处经测得速度仍达10m/s。为绝对安全，这时要启动底部4台反推力缓冲发动机，实现软着陆。设软着陆阶段返回舱作匀减速直线运动至地面时速度恰好为零，g取10m/s[2]。
分析：（1）弹出降落伞后返回舱的受力和运动的变化；（2）返回舱匀速下降过程中各种能量的变化。
计算：飞船底部每台反推力缓冲发动机平均推力为多大？（2.5×10[4]N）（试用两种方法计算）